Способ диагностики структурного совершенства монокристаллов п-кремния, выращенных зонной плавкой

 

Изобретение относится к области измерения параметров полупроводниковых материалов. Исследуемый и эталонный образцы облучают частицами с энергией, достаточной для образования пар Френкеля и интегральным потоком, не приводящим к инверсии типа проводимости, затем отжигают, измеряют зависимость концентрации А-центров от температуры и определяют по ней температуру отжига А-центров. По соотношению между температурами отжига А-центров в исследуемом и эталонном образцах делают заключение о наличии в исследуемом образце дефектов, не выявляемых селективным травлением. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области метрологии электрофизических параметров полупроводниковых материалов и может быть использовано для контроля структурного совершенства монокристаллов кремния n-типа, выращенных бестигельной зонной плавкой.

Известны способы диагностики структурного совершенства кремния, включающие облучение высокоэнергетическими частицами и измерение электрофизических характеристик [1, 2] Эти способы позволяют определить концентрацию углерода, легирующих и компенсирующих примесей, но не дают возможности сделать заключение о наличии в кристалле дефектов структуры. Такими дефектами структуры в кремнии, выращенном зонной плавкой, являются дислокации, микродефекты различных типов и ростовые дефекты, не выявляемые селективным травлением. Сведения о таких дефектах весьма важны, т.к. их наличие существенно сказывается, например, на радиационной стойкости кремния и приборов на его основе.

Известен способ диагностики структурного совершенства n-кремния, включающий облучение исследуемого и эталонного образцов частицами с энергией, достаточной для образования пар Френкеля, измерение удельного сопротивления и определение характерной величины интегрального потока, при котором удельное сопротивление имеет максимальное значение [3] По соотношению между определенными таким образом интегральными потоками в исследуемом и эталонном образцах делают заключение о наличии в исследуемом образце дефектов структуры, не выявляемых селективным травлением. Недостатком этого способа является то, что для его реализации необходимо облучать образцы большими интегральными потоками частиц, приводящими к инверсии типа проводимости и достижению максимального значения удельного сопротивления. Это требует длительного времени, обуславливает высокую стоимость и неэкономичность способа. Известен способ диагностики структурного совершенства n-кремния, включающий облучение исследуемого и эталонного образцов частицами с энергией, достаточной для образования пар Френкеля, интегральным потоком, не приводящим к инверсии типа проводимости, изохронный отжиг образцов, измерение концентрации носителей заряда и определение доли неоттоженных дефектов [4] Однако чувствительность этого способа невысока.

Наиболее близким к заявляемому является способ диагностики структурного совершенства n-кремния, выращенного зонной плавкой, включающий облучение исследуемого и эталонного образцов частицами с энергией, достаточной для образования пар Френкеля, интегральным потоком, не приводящим к инверсии типа проводимости, изохронный отжиг образцов, измерение концентрации радиационных нарушений и определение характерной величины, по которой судят о наличии в образце дефектов, не выявляемых селективным травлением [5] Недостатком способа-прототипа является его низкая чувствительность, т.к. изменение температуры отжига E-центров из-за наличия дефектов, не выявляемых селективным травлением, невелико (не более 50-60 К) и зарегистрировать его сложно.

Цель изобретения повышение чувствительности способа и его достоверности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе диагностики структуры совершенства монокристаллов n-кремния, выращенных зонной плавкой, заключающемся в том, что исследуемый и стандартный образцы облучают частицами с энергией, достаточной для образования пар Френкеля, интегральным потоком, не приводящим к инверсии типа проводимости, проводят многократный изохронный отжиг образцов в интервале температур, соответствующих отжигу радиационных дефектов определенного вида, измеряют зависимости концентрации этих радиационных дефектов от температуры отжига, определяют по ней температуру полного отжига радиационных дефектов этого вида и по соотношению найденных температур в исследуемом и стандартном образцах судят о наличии дефектов, не выявляемых травлением в исследуемом образце, в качестве вида радиационных дефектов выбирают А-центры, а изохронный отжиг образцов проводят в интервале температур от 470 до 620 К.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Образцы n-кремния облучают частицами с энергией, достаточной для образования пар Френкеля, например, гамма-квантами ⁶⁰Со или электронами с энергией от 0,6 до 10 МэВ. Минимальное значение энергии обусловлено наличием пороговой энергии для образования пар Френкеля, а максимальное эффективным образованием при более высоких энергиях скоплений пар Френкеля из-за высокой энергии первично выбитого атома и каскадного механизма дефектообразования. При облучении гамма-квантами ⁶⁰Со или электронами 0,6.10 МэВ реализуется диффузионный механизм дефектообразования и пары Френкеля равномерно распределяются по объему кристалла. Одна из компонент пар Френкеля (вакансии) эффективно взаимодействуют в n-кремнии с атомами кислорода. При этом образуются стабильные при комнатной температуре электрически активные радиационные дефекты А-центры. Отжигаются А-центры при температуре около 620 К. Как показали проведенные эксперименты, температура отжига А-центров зависит от структурного совершенства кристаллов. Она уменьшается (причем весьма существенно, до ≈470 К) при наличии ростовых дефектов, не выявляемых селективным травлением. Этот экспериментально установленный факт и положен в основу предлагаемого технического решения. Определив температуры отжига А-центров в исследуемом и контрольных образцах, можно по их соотношению сделать заключение о наличии в исследуемом образце дефектов, не выявляемых селективным травлением. В качестве контрольных образцов, естественно, выбирают кристаллы, которые заведомо не содержат дефекты структуры, не выявляемые селективным травлением. Ими могут быть, например, кристаллы, содержащие ростовые дислокации. При наличии ростовых дислокаций микродефекты и не выявляемые селективным травлением дефекты структуры не образуются. Кроме того, ростовые дислокации (до плотности N_D≈3·10⁴ см^-2) не изменяют температуру отжига А-центров. Концентрацию А-центров, вносящих в запрещенную зону энергетический уровень E_c -0,17 эВ, измеряют любым известным методом, например, с помощью DLTS или из анализа температурных зависимостей коэффициента Холла. Температура облучения должна быть выше температуры, при которой вакансии становятся подвижными (140.160 К), но ниже температуры отжига А-центров (470.620 К), т.е. интервал температур облучения 140.470 К. Технологически наиболее удобно облучать при комнатной температуре. Интегральный поток облучения выбирают таким, чтобы инверсия типа проводимости не наступала. Только в этом случае будут образовываться простые комплексы компонент пар Френкеля с атомами примесей и А-центры будут накапливаться вблизи ростовых дефектов, не выявляемых селективным травлением. Создаваемые последними деформационные поля обуславливают взаимодействие с ними А-центров при отжиге и уменьшение температуры отжига А-центров. При более высоких интегральных потоках, соответствующих инверсии типа проводимости и истощению примесей, эффективным становится образование чисто структурных радиационных дефектов (дивакансии, тривакансии, тетравакансии, димеждоузлия и др. ). В процессе отжига и перестройки таких дефектов имеет место взаимодействие их с А-центрами, что искажает картину отжига и не позволяет выделить изменение температуры отжига А-центров, связанных с влиянием дефектов, не выявляемых селективным травлением. Характерно, что А-центры, в отличие от части Е-центров, не образуются в матрице кристалла вдали от дефектов, не выявляемых селективным травлением. Практически все А-центры при облучении накапливаются в ближайшем окружении дефектов, не выявляемых селективным травлением, и взаимодействуют с ними при отжиге. Это обуславливает наблюдаемое на опыте значительное уменьшение температуры отжига А-центров. Режимы отжига облученных образцов обусловлены следующим. При температурах менее 470 К А-центры еще не отжигаются и отжиг при этих температурах не имеет смысла. При температурах более 620 К все А-центры отжигаются за очень короткое время. Поэтому следует проводить изохронный отжиг в интервале температур 470.620 К. Шаг увеличения температуры определяется требуемой точностью, а оптимальным временем прогрева при каждой температуре, как показали опыты, является 500.1000 секунд. Изменение времени отжига в большую или меньшую сторону влияет лишь на скорость отжига Е-центров, а ни на их температуру отжига.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, где в относительном масштабе приведены зависимости концентрации А-центров ( N) от температуры изохронного отжига (Т) в эталонном (кривая 1) и исследуемом (кривая 2) образцах. Видно, что температура отжига А-центров в исследуемом, содержащем не выявляемые селективным травлением ростовые дефекты, образце (T₂) меньше, чем в контрольном (Т₁).

Пример. Проводят диагностику структурного совершенства n- кремния с исходным удельным сопротивлением ρ = 200 Ом·см, выращенного бестигельной зонной плавкой в атмоcфере аргона и не содержащего выявляемые селективным травлением дефекты (образец N 1). В качестве эталонного используют дислокационный (с плотностью дислокаций N_D 3·10⁴ см^-2) кремний с таким же удельным сопротивлением.

По способу, являющемуся прототипом, исследуемый и эталонный образцы облучают гамма-квантами ⁶⁰Со при комнатной температуре интегральным потоком Ф 2.1·10¹⁶ см^-2. После этого образцы изохронно отжигают в интервале температур 370. 460 к. При этом температуру отжига изменяют с шагом 10 К, выдерживая образцы при каждой температуре в течение 600 секунд. После каждого отжига проводят измерение концентрации E-центров. Для этого применяют метод эффекта Холла, позволяющий по измеренным температурным зависимостям коэффициента Холла получить температурную зависимость концентрации носителей заряда и по уравнению электронейтральности определить концентрацию Е-центров, вносящих в запрещенную зону акцепторный энергетический уровень Е_с -0,43 эВ. Цикл отжиг измерение концентрации Е-центров повторяют многократно и из полученной зависимости концентрации Е-центров от температуры отжига определяют (например, графически) температуру отжига E-центров. Она оказывается практически одинаковой в эталонном и исследуемом образцах (Т₁ T₂≈450 К), что не позволяет сделать заключение о наличии в исследуемом материале дефектов структуры, не выявляемых селективным травлением.

По предлагаемому способу исследуемый и эталонный образцы облучают гамма-квантамми ⁶⁰Со при комнатной температуре интегральным потоком Ф 2.1·10¹⁶см^-2. После этого образцы изохронно отжигают в интервале температур 470. 620 К. При этом температуру отжига изменяют с шагом 10 К, выдерживая образцы при каждой температуре в течение 600 секунд. После каждого отжига проводят измерение концентрации А-центров. Для этого применяют метод эффекта Холла, позволяющий по измеренным температурным зависимостям коэффициента Холла получить температурную зависимость концентрации носителей заряда и по уравнению электронейтральности определить концентрацию А-центров, вносящих в запрещенную зону акцепторный энергетический уровень Е_с-0,17 эВ. Цикл отжиг измерение концентрации А-центров повторяют многократно и из полученной зависимости концентрации А-центров от температуры отжига определяют (например, графически) температуру отжига А-центров. Она оказывается равной Т₁ 610 К и Т₂ 560 К в эталонном и исследуемом образцах соответственно. Соотношение между найденными значениями температур отжига А-центров равно Т₂/Т₁ 0,92. Полученное значение T₂/T₁ < 1, что свидетельствует о наличии в исследуемом материале дефектов структуры, не выявляемых селективным травлением.

В таблице приведены результаты диагностики структурного совершенства, полученные предлагаемым способом и по способу-прототипу, ряда материалов: бездислокационного кремния с исходным удельным сопротивлением 60 Oм.см, выращенного в атмосфере аргона и не содержащего выявляемые селективным травлением дефекты структуры (образец N 2); бездислокационного кремния с исходным удельным сопротивлением 100 Ом.см, выращенного в вакууме и содержащего выявленные селективным травлением микродефекты Д-типа (образец N 3); бездислокационного кремния с исходным удельным сопротивлением 100 Ом.см, выращенного в вакууме и содержащего выявленные селективным травлением микродефекты А-типа (образец N 4); бездислокационного кремния с исходным удельным сопротивлением 100 Ом.см, выращенного в вакууме и содержащего выявленные селективным травлением микродефекты А- и В-типов (образец N 5). Как видно, в образцах N 1 и N 2 Т₂/Т₁ < 1, что свидетельствует о наличии дефектов, не выявляемых селективным травлением. В образцах N 3 и N 4 Т₂/Т₁ 1, т.е. дефекты, не выявляемые селективным травлением отсутствуют. В образце N 5 также Т₂/Т₁ < 1, но отличие невелико. Это указывает на наличие, наряду с выявленными селективным травлением микродефектами А- и В-типов, дефектов, не выявляемых селективным травлением. По способу-прототипу лишь для образца N 2 можно в некоторой степени судить о наличии в нем дефектов, не выявляемых селективным травлением. Наличие таких дефектов в образцах N 1 и N 5 способ-прототип не позволяет зафиксировать, ибо чувствительность его низка.

В предлагаемом способе измерения концентрации E-центров заменены измерениями концентрации А-центров и, соответственно, изменен режим отжига. Это позволило повысить чувствительность диагностики структурного совершенства n-кремния. А-центры накапливаются при облучении только вблизи дефектов, не выявляемых селективным травлением. E-центры накапливаются частично и в матрице кристалла. В силу этого А-центры (точнее их температура отжига) более чувствительны к наличию ростовых дефектов структуры и, соответственно, чувствительность предлагаемого способа выше.

Формула изобретения

Способ диагностики структурного совершенства монокристаллов п-кремния, выращенных зонной плавкой, заключающийся в том, что исследуемый и стандартный образцы облучают частицами с энергией, достаточной для образования пар Френкеля, интегральным потоком, не приводящим к инверсии типа проводимости, проводят многократный изохронный отжиг образцов в интервале температур, соответствующих отжигу радиационных дефектов определенного вида, измеряют зависимости концентрации этих радиационных дефектов от температуры отжига, определяют по ней температуру полного отжига радиационных дефектов этого вида и по соотношению найденных температур в исследуемом и стандартном образцах судят о наличии дефектов, не выявляемых травлением, в исследуемом образце, отличающийся тем, что, с целью увеличения достоверности и чувствительности к дефектам, не выявляемым селективным травлением, в качестве вида радиационных дефектов выбирают А-центры, а изохронный отжиг образцов проводят в интервале температур от 470 до 620 К.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2